相干光学信息处理中的空间光调制器

光学信息处理无疑是目前光学研究中最活跃的领域之一。它的最使人感兴趣的特点是其高速、高信息量和并行处理的能力。一个光学处理系统,是以光速进行运算的,它的数据的输入是在二维空间上所有的点并行输入的,这样的特点是任何数字计算机无法比拟的。但是由于存在着一些难以克服的问题,所以光学数据处理机的发展和应用受到了阻碍。     

光学信息处理讲座 第二讲 半色调方法实现非线性变换

一、引 言 光学信息处理系统具有二维、并行、高速地完成傅里叶变换、相关和卷积等线性运算的能力.在典型的光学处理器以及低功率的情况下,除非使用特殊的技术,一般只能实现线性运算.但是,许多信息处理的应用又要求对数据进行非线性运算.过去,非线性变换主要是通过数字方法实现的.现在已经使用了多种技术来实现光学非线性运算(变换).最方便的方法是利用胶片特性曲线的非线性,实现非线性变换.例如,对数变换[1],密度切片的提取[2]等. 可饱和吸收体以及在某些情况中的光学反馈,也是实现非线性光学运算的重要途径[3,4].由于介质的非线性光学效应…     

多值神经网络改进模型及其光学实现

本文提出一种改进的光学神经网络模型,并利用空间光调制器PROM构成的光学系统实现了这种模型的联想记忆运算.计算机模拟和实验结果表明,改进模型提高了光学神经网络的识别能力,并在—定程度上提高了存贮容量.     

超高真空构筑新型二维材料及其异质结构

由于量子受限效应,二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能,为研究人员所关注.材料的优异物性离不开高质量材料的制备,超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响,提高二维材料的质量与性能.本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法,包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类.文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质,比较三种方法各自的优势与局限性,对未来二维材料制备提供一定的指引.     

光学信息处理讲座第四讲 银盐记录介质在光学信息处理中的应用

光学信息处理以其速度快、信息容量大、结构简单、可以同时完成二维或多通道运算等优点而被人们所重视,并已成为现代光学的重要组成部分.光学信息处理的基本装置可以分为以下几个主要部分:光源、输入转换器、光学处理系统以及输出转换器.目前,输入转换器主要通过感光胶片将输入信号或图象送入处理系统.光学处理系统是由透镜或其它全息光学元件构成的模拟运算系统,此系统中的空间滤波器是光学信息处理系统中的关键元件,必须根据具体课题的要求进行设计并用记录介质或其它材料来制备.输出转换器一般是用记录介质把处理结果记录下来,或通过摄像…     

基于Pancharatnam-Berry相位超表面的二维光学边缘检测

提出并设计一种基于Pancharatnam-Berry (P-B)相位超表面的二维光学微分器,并实现对光学图像的二维光学边缘检测.在环形光栅相位的作用下,该P-B相位超表面可将光束的左右旋分量在径向进行分离,在滤除中间重叠部分的线偏振光后,保留下来的光学信息即为二维光学微分结果.同时,通过调节该二维光学微分器的光轴分布函数可对边缘信息分辨率进行灵活调控.研究结果表明,上述P-B相位超表面可用于光学图像的二维边缘信息提取,相比于一维光栅式超表面,该方法得到的边缘信息更加完整、清晰.可以预期,这种二维光学微分器在超快光学计算与光学图像处理等方面具有重要的潜在应用价值.     

基于神经网络模型的光学计算

目前的电子计算机适于解决数字运算问题，但是在解决辨别、联想、推理等所谓随机问题方面的能力却远不如人的大脑．企图模仿人脑的解剖结构来设计计算机以解决随机问题，并利用光学的独特功能，这就是光学神经元计算机．据此，Ｈｏｐｆｉｅｌｄ提出了一种关联存贮模型（或称为内容存贮），即每个存贮状态不是按地址存贮，而是按内容存贮在整个神经网络系统上．光学由于具有内禀的并行性，特别适于实现这个模型．采用纯光学或光电混会方法，通过光学矩阵乘法，取阀值运算，反馈迭代过程，可以实现从有误差的输入信息中提取正确的关联存贮信息．利用全息技术，有可能实现二维数据的关联存贮．     

超高时空分辨光电子显微镜的研究进展(特邀)

新型光电材料、磁性材料、低维量子材料等是目前凝聚态物理的研究前沿,其在微纳尺度的近场光学动力学具有丰富的物理内涵和广阔的应用前景。飞秒激光的超高时间分辨与光电子显微镜的超高空间分辨结合为一种超高时空分辨测量技术,为材料物理、表面物理等研究注入了新的活力,提供了强有力的平台。本文介绍了超高时空分辨光电子显微镜,讨论了其在金属表面等离激元动力学、低维材料等新型半导体材料动力学、材料异质结界面动力学等方面的应用和研究进展,最后展望了其在飞秒-纳米尺度表面和界面物理研究的应用前景。     

基于Gires-Tournois谐振腔的二维光学相控阵反射镜

光学相控阵是激光雷达中实现非机械光束偏转的一种技术方案,针对现有光学相控阵存在的尺寸大、二维集成困难等问题,提出了一种可实现二维光束偏转的新型二维光学相控阵反射镜。该反射镜采用易于集成的面阵结构,同时利用Gires-Tournois谐振腔在谐振波长附近的色散特性放大相移。仿真结果表明,该结构在谐振波长附近具有较高的相移效率,为实现二维光束偏转提供了一种新的解决方案。     

半导体光学双稳态

目前科学家们正在拟定计划研制运用人工智能概念的第五代计算机.这一类计算机所需要的记忆能力是现有大型计算机的一万倍,而其运算速度要高出一千倍.任何计算机的三个基本功能──算术运算、逻辑运算和信息存储都是由具有两个稳态的开关器件来完成.从理论上说,目前集成电路毫微秒量级逻辑门的开关时间已接近极限时间,这是由于无论双极型的三极管或单极型的场效应管部受到半导体中载流子运动速度的限制,在设计和制作工艺中减小基区的宽度或源-漏间的距离到1μm似乎已达到极限.因此要想显著地缩短开关时间必须采用完全新的开关技术,这种新型的…     

基于电力网络的级联故障模型

以电力系统的停电事故为例,提出一种节点具有能量耗散和扩容行为的级联故障模型,并分别在二维规则网络和无标度网络上对该系统的演化过程进行计算机模拟.结果表明,在两种不同结构的网络中系统的演化过程都出现了自组织临界现象,说明网络中节点能量的耗散及容量的扩充是导致电力系统出现自组织临界现象的重要因素.此外,还发现无标度网络中的最大级联故障规模要远大于二维规则网络中的级联故障规模.     

原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台.二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能.本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面...     

光学信息处理讲座 第八讲 非相干光(白光)信息处理

光学信息处理在六十及七十年代的发展,主要集中在相干光处理技术上,它取得了许多重要的成果.与此同时,计算机图象处理也以惊人的速度发展着,并得到了广泛的应用.即使如此,光学信息处理仍未失去它的青春活力.其主要原因在于,光学系统对二维信号(图象)具有高容量的平行处理能力,这是计算机处理所望尘莫及的. 然而,相干光学处理的发展存在着一些根本性的障碍.因此,自七十年代后期以来,非相干光(白光)信息处理开始发展起来,并且愈来愈为人们所重视. 我们先简单说明相干光与非相干光系统的基本区别,并对相干光系统存在的主要困难进行分析,然后讨…     

二维多通道声光相互作用的理论与实验研究

研究二维多通道并行超声波与光波相互作用的机理,导并求解了二维多通道声光相互作用的耦合波方程.分析了二维多通道声光相互作用中各通道的主衍射和二维多通道声光互调制的线性和非线性效应.研制了二维多通道声光器件,测试了器件的各种特性,实验结果与理论分析相符.并且用二维多通道布拉格声光调制器实现了光学矩阵-矢量运算.     

基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器

可饱和吸收体作为非线性光学行为的物质载体,是获得超快激光的关键材料.基于石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、黑磷等二维材料为代表的可饱和吸收体具有不同的光学优点,但仅依赖某一方面光学优势的单一材料,很难避免其应用的局限性.通过异质结结构结合不同二维材料的优势,达到光学互补效应,为制备高性能的新型可饱和吸收体,实现短脉宽高峰值功率的输出提供了思路和借鉴.本文总结了异质结可饱和吸收体的制备方法、能带匹配模型、电子跃迁机理,并从工作波长、输出脉宽、重复频率、脉冲能量等重要参数对国内外基于二维材料异质结激光器的研究进展进行了综述,此外,对二维材料异质结在光调制器、超快激光、可饱和吸收体、光开关等方向的发展前景进行了展望.     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

二维光学沃尔什—哈特曼变换

从光学变换的基本方程出发,分析了变换所需的空间横向调制型全息透镜的相位误差,提出用计算机产生全息图和光学全息相结合的方法产生高精度的二维变换全息透镜.在实验上实现了二维32序的光学沃尔什-哈特曼变换,实验结果与理论计算一致.     

石墨烯光学性质及其应用研究进展

石墨烯因其优异的光学和电学性能,及其与硅基半导体工艺的兼容性,而备受学术界和工业界的广泛关注。作为一种独特的二维原子晶体材料,石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性,使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出,已显示出优异的性能和良好的应用前景。本文将介绍石墨烯光学性质、与光的相互作用以及提高方法,并给出其在光子和光电子器件领域的应用,分析了这些器件所使用的结构及特点,重点阐述了在全内反射结构下,石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质,及其利用该偏振依赖性质在光学传感、光存储等方面的应用,以及在细胞传感方面的重要发现。最后对石墨烯光学性质及其应用的现状进行了总结和展望。     

谈谈光子计算机

 1946年计算机的诞生是上世纪科学技术发展划时代的伟大成就之一,它的出现和发展极大地提高了人类处理信息的效率,从而促进了劳动生产力的极大解放。计算机的发展与普及改变了人们的工作方式和生活方式,已成为人们生活和工作的必备品。然而现在使用的计算机均为电子计算机,随着光子学和光子技术的发展,必将产生一种新型的计算机---光子计算机。本文简要谈谈光子计算机。一、光子计算机及其特点光子计算机是一种全新的计算机,是以光子作为主要的信息载体,以光子系统作为计算机的主体,以光运算作为计算机运算方式的计算机。     

低维材料非线性光学与器件专题编者按

正2004年,石墨烯的首次发现为具有独特光子和光电特性的二维材料的发展打开了大门.二维材料通常被称为原子薄层材料,其厚度可减至单层或几层.强的层内共价和弱的层间范德瓦耳斯力是二维材料的典型特征.不同厚度和电子结构的二维材料使其可以在紫外到太赫兹的波长范围内进行光学响应,极大地扩展了二维材料在光子学领域的应用范围.二维材料还具有优异的光子特性,如泡利阻塞诱导的饱和吸收、超快的弛豫时间和高度的光学非线性,为其在光子学领域广泛的应用奠定了基础.由于原子层的二维材料具有机械稳定性和表面自然钝化的特点,可无选择性地牢固地集成到其他结构中,如平面波导、玻璃纤维、光学微腔和其他二维层状结构,而不会出现"晶格失配"问题.此外,二维材料的光学性质可以通过电选通、光激励、或化学掺杂来精确控制.